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TROUS NOIRS

Physique des trous noirs

Les propriétés physiques des trous noirs sont si déroutantes qu'elles ont longtemps nui à leur crédibilité. En réalité, elles découlent des lois de la relativité générale poussées à la limite des champs gravitationnels très forts, avec pour conséquence les distorsions les plus spectaculaires de l’espace-temps.

Ainsi, à proximité d'un trou noir, l'espace est fortement déformé. Un astronaute qui s'aventurerait à proximité d’un trou noir stellaire verrait son corps étiré comme un spaghetti du fait des forces différentielles de gravitation (ses pieds subissant une force d’attraction beaucoup plus forte que sa tête). Mais l’intensité de ces forces dites « de marée » dépend de la masse du trou noir. Très grandes pour un trou noir de type stellaire au point de rendre impossible son approche par un astronaute ou un vaisseau spatial (qui serait immanquablement détruit), ces forces de marée sont négligeables à la surface d’un trou noir supermassif, qui pourrait donc être franchie sans encombre.

Corrélativement à l’étirement de l’espace, le temps est fortement dilaté. Un observateur extérieur au trou noir qui regarderait l'astronaute au télescope ne le verrait jamais plonger dans le trou noir, mais aurait l'impression qu'il ralentit de plus en plus – alors qu‘il s’agirait précisément du contraire : il accélérerait frénétiquement. Pour l'astronaute (qui aurait résisté aux forces de marée, en choisissant d'explorer un trou noir supermassif plutôt qu'un trou noir stellaire…), le temps s'écoulerait normalement et il se verrait tomber vers l'horizon des événements en un temps fini. Mais il y plongerait tellement vite que sa vitesse tendrait vers celle de la lumière, de sorte que, en vertu des lois de la relativité générale, chaque image de son voyage mettrait un temps de plus en plus long pour parvenir à l'extérieur. À la limite, lorsqu'il atteindrait la surface du trou noir, sa vitesse atteindrait celle de la lumière, et son image mettrait un temps infini à sortir. L'astronaute paraîtrait gelé à jamais dans son mouvement au moment où il sortirait du rayon de visibilité.

La naissance d'un trou noir est marquée par l'émission de rayonnements électromagnétiques et d’ondes gravitationnelles. Les mathématiciens ont pu démontrer que la géométrie de l'espace-temps extérieur à l'astre en effondrement atteint un état d'équilibre assez simple autour de l'horizon des événements, toutes les irrégularités étant dissipées par les ondes gravitationnelles. Il s'ensuit que l’état final d’un trou noir est entièrement décrit par trois paramètres seulement : sa masse M, son moment angulaire J (grandeur qui décrit son état général de rotation) et sa charge électrique Q. Cette propriété est très étonnante. Un corps ordinaire, disons un simple caillou, outre sa masse, son éventuel moment angulaire et son éventuelle charge électrique, est caractérisé par une forme, des couleurs, une composition chimique, des milliards de particules élémentaires organisées d’une certaine manière, etc. Sa description complète requiert donc la connaissance d’un nombre gigantesque de paramètres. Le trou noir, lui – et c’est précisément ce qui le distingue de tout autre type de corps matériel – est totalement décrit par les trois quantités (M, J, Q). Quelles que soient les milliards d’autres informations stockées en lui, aucune n’est accessible de l’extérieur et n’influe en quoi que ce soit la manière dont l’espace-temps prend forme autour de lui. En outre, comme il n’y a pas de situation astrophysique réaliste permettant à un trou noir de conserver une charge électrique, l’état final d’un trou noir ne dépend plus que de M et J. On l’appelle « trou noir de Kerr[...]

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Écrit par

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, laboratoire d'astrophysique, Marseille

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Pour citer cet article

Jean-Pierre LUMINET. TROUS NOIRS [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Galaxie NGC 1277 - crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

Galaxie NGC 1277

NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

Puits gravitationnel créé par un trou noir - crédits : J.-P. Luminet

Puits gravitationnel créé par un trou noir

J.-P. Luminet

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma - crédits : J.-P. Luminet

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma

J.-P. Luminet

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Autres références

  • PREMIÈRE IMAGE DU TROU NOIR DE NOTRE GALAXIE

    • Écrit par Jean-Pierre LUMINET
    • 1 695 mots
    • 2 médias

    Le 12 mai 2022, la collaboration du réseau international de radiotélescopes EHT (Event Horizon Telescope) a révélé au public l’image de Sagittarius A* (SgrA*), le trou noir supermassif situé au centre de notre Galaxie (la Voie lactée), à 27 000 années-lumière de la Terre. Avant cette date, son...

  • PREMIÈRE IMAGE TÉLESCOPIQUE D'UN TROU NOIR

    • Écrit par Jean-Pierre LUMINET
    • 1 009 mots
    • 1 média

    Prédits dans le cadre de la théorie de la relativité générale, les trous noirs sont certainement les objets les plus mystérieux du cosmos. En raison de leur nature même de pièges à matière et à lumière, ils ne sont pas directement observables. Si les effets indirects qu’ils induisent sur leur...

  • TROU NOIR DE MESSIER 87

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 363 mots
    • 1 média

    Deux cents ans après que Pierre-Simon de Laplace a imaginé l'existence d'étoiles si denses que la lumière ne peut s'en échapper, les astronomes de la N.A.S.A. présentent en 1994 des indices significatifs en faveur de la découverte d'un trou noir. Les observations de la galaxie elliptique...

  • TROU NOIR DE NGC 1365

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 363 mots
    • 1 média

    Grâce au télescope spatial NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), une équipe internationale d'astronomes, conduite par Guido Risaliti, professeur à Florence (Italie), a observé la rotation extrêmement rapide du trou noir situé au centre de la galaxie NGC 1365. Ce trou noir, dont la masse...

  • ASTRE ou OBJET CÉLESTE

    • Écrit par Marc LACHIÈZE-REY
    • 1 244 mots

    Le nom d'« astre » s'applique à tout corps céleste. Pour l'astronome de l'Antiquité, il désignait l'une des quelques milliers d'étoiles suffisamment brillantes pour être visibles à l'œil nu ou l'une des sept planètes (du grec planêtes[asteres],...

  • ASTROPARTICULES

    • Écrit par Pierre BAREYRE
    • 2 125 mots
    • 1 média
    Représentation schématique de la détection d'une gerbe atmosphérique d'ultra-haute énergie par le détecteur hybride Auger - crédits : Encyclopædia Universalis France
    ...en évidence à haute énergie par les détecteurs au sol. Markarian 501 a présenté en 1997 des bouffées de forte intensité dans les domaines X et gamma. Les sources ont pour origine des phénomènes dans des galaxies dites à noyau actif où un trou noir central supermassif (1 milliard de masses solaires)...

  • CHANDRASEKHAR SUBRAHMANYAN (1910-1995)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 022 mots
    ...l'effondrement dû aux forces gravitationnelles est le phénomène marquant de leur vieillesse. C'est ainsi qu'apparaissent naines blanches, étoiles à neutrons ou trous noirs, extraordinaires objets où les conditions physiques qui y règnent sont si extrêmes que les interactions fondamentales « habituelles » agissent...

  • EINSTEIN ET LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE, LES CHEMINS DE L'ESPACE-TEMPS (J. Eisenstaedt)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 961 mots

    Si les principes et les conséquences de la théorie de la relativité restreinte ont été souvent, et parfois de façon excellente, vulgarisés, la complexité mathématique de la théorie d'Einstein de la gravitation – appelée relativité générale – est telle qu'elle n'est appréciée que d'un petit nombre...

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Voir aussi

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